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1、 风电齿轮的微点蚀研究 赵玉良 徐鸿钧 姜永涛 （中国重型机械研究院有限公司，陕西西安 710032）摘要： 本文对影响风电齿轮齿面微点蚀的各相关因素进行了分析。为避免发生微点蚀，不仅润滑方面的因素要予以重视，设计与制造因素也同样不能忽略。本文最后给出了提高齿面抗微点蚀能力可采取的的若干技术措施。关键词： 微点蚀；风电齿轮 近几年来，随着风力发电、造船及航空航天等行业的快速发展，对长寿命及高可靠性齿轮箱的需求也在快速增长，由此也引发了对低速重载齿轮传动中微点蚀现象的重视和深入系统的研究。事实上，对低速重载齿轮，较之于齿轮的弯曲强度和接触强度，齿轮微点蚀已成为影响其寿命及运行可靠性的一个更为重要
2、的影响因素，因而近些年来，AGMA（美国齿轮制造商协会）、BGA（英国齿轮协会）、NREL（美国可再生能源实验室）等均相继进行了一系列相关的专题研究，取得了一定进展。在我国，这一问题尚未引起足够的重视，非常有必要对此进行全面系统的分析研究，并制订相应的控制方案及应对措施。1 齿轮微点蚀的产生及危害微点蚀现象又称灰斑现象，是指齿轮工作过程中齿面出现的一种呈发灰状态的特征现象，其实质是齿面出现微小裂纹并伴有少量材料转移，是一个齿面形成微小裂纹并发生冷胶合的综合过程。这种现象一般发生在低速重载齿轮的啮合齿面上，如风电齿轮箱、船用齿轮箱的低速级传动齿面上。 微点蚀现象发生的机理一般认为是由于低速重载齿
3、轮的啮合齿面间多呈混合或边界润滑状态。在齿轮啮合过程中，由于两齿面微观结构的波峰发生直接接触，并在较高的接触及剪切应力和相对摩擦作用下，导致齿面局部温度升高，油膜或化学反应膜破裂，进而产生复杂的弹塑性变形，在此过程中也就产生了齿轮表面的微小裂纹和材料转移。 齿面微点蚀的裂纹都位于表层且比较微小，一般深度为10-20m，并与表面倾斜角度小于45度。微点蚀多发生在齿轮箱的跑和阶段，齿面最易发生微点蚀的部位多为滑动和滚动速度方向相反的区域，因之对主动或从动齿轮一般均位于齿轮的节圆以下，如图1所示，这已为较多的试验或观察所证实。 图1 齿面微点蚀及部位齿面发生微点蚀后，根据所受载荷及应用条件的不同，同
4、时随着齿面润滑条件的改善，有些将不再发展，而有些则会随着运行时间的增长，齿面磨损进一步加剧，齿形精度下降和啮合齿面间动载荷的加大，并导致微裂纹进一步扩展，发展到一定程度将引起齿面的宏观点蚀、剥落，并最终导致传动装置性能的恶化和丧失。正是由于微点蚀在低速重载齿轮传动中出现的普遍性和对高端传动装置运行寿命及可靠性的严重影响，国外近些年来对与此相关专题的研究十分活跃，人们从对微点蚀的各种影响因素的系统研究，到对抗微点蚀齿轮的设计及制造，都已取得了不少成果。目前FZG/FVA还专门制定了润滑油及齿轮副的微点蚀试验规范，各品牌润滑油产品的抗微点蚀能力等级均要明确给出。一般讲，影响齿面微点蚀的因素主要有：
5、 （1）润滑介质因素，如油的种类、粘度、油性及添加剂种类等 （2）材料种类及热处理状态与组织 （3）设计参数及制造工艺方法 下面将对几个主要影响因素进行分析，以供确定合理的设计、制造及使用方法。2 润滑油对微点蚀的影响 众多试验及应用表明，合成油较之于矿物油有着更为优异的综合润滑性能，因此目前的高端齿轮箱如风电增速箱等均采用各种合成润滑油作为其润滑介质。合成润滑油的普遍优点表现为粘温指数高、抗氧化能力强、低温流动性好、抗磨损、摩擦功耗低、挥发性低、换油周期长及抗微点蚀能力强等。目前常用的合成油主要有三种类型： （1）聚-烯烃润滑油，也就是常说的PAO油，它是由-烯烃在催化剂作用下聚合，再经蒸馏
6、、加氢而获得的一类长链烷烃，是目前应用最为普遍的一类合成油。代表性品牌或生产商如 EXXONMOBIL、TOTAL、BP、ANDEROL及KLUBER等，都提供此类油品。 （2）聚酯类润滑油，简称PAG油。众多试验表明，PAG油在粘温指数、抗磨性、抗微点蚀性、溶解水能力、润滑性、洁净性等方面均优于PAO油。仅在低温起动性、材料相容性和基础油相溶性方面稍逊于PAO油。正是由于上述优点，PAG油在风电齿轮箱中逐步得到广泛应用，其代表性品牌及生产商主要有COGNIS、STEPAN、FUCHS、SHELL及KLUBER等。 （3）酯类润滑油，除具有合成油的基本优点外，突出特点是生物降解速度快，对环境影
7、响小，生成油泥残渣倾向小。国外目前对该类产品的研究开发十分活跃，随着其性能的进一步改进和长期工作稳定性的提高，其应用将会逐步普及和拓展。目前酯类油的一个主要用途是用于PAO油的混合剂，用于改善油品的润滑性，并降低齿面摩擦系数。 在PAG和PAO油中，整体来讲，PAG油较之PAO油有更优异的综合性能，尤其在抗微点蚀能力方面更为明显。此外由于其优异的粘温性和水溶性，在环境湿度变化较大及环境较为潮湿的地区，PAG油更为适用。而在温度较低地区，采用PAO油则有一定优势。PAO油含水量较高时，则易导致其发生水解和氧化，同时乳化现象加剧，酸值增加，抗微点蚀能力明显下降。因此应用PAO油时，对其含水量应严格
8、监控，一旦超出其允许含量或油品性能变差时应及早更换。 应注意的是，采用PAG油时，由于其对一般油漆有一定的溶解性，因此在润滑齿轮箱的内部应采用环氧耐油漆或者干脆不涂漆，以防由于漆的溶解影响润滑油品的性能和润滑系统工作的可靠性。此外，由于PAG油和其它不同种类油品的互溶性较差，若混在一起易形成凝胶状物质。因此，齿轮箱注油前应按要求彻底清洗箱体内部，使用中也不得和不同种类的油品混合。 若干试验已表明齿轮润滑油中的极压添加剂对油品的抗微点蚀能力的影响十分复杂，尽管极压添加剂的使用使得齿轮副的抗胶合能力大为提高，但在许多情况下某些种类的极压添加剂和轮齿表面发生化学腐蚀作用而产生了应力腐蚀裂纹，因而对齿
9、面的抗微点蚀能力产生了不利的影响。应对添加剂的种类及添加的比例进行进一步的系统试验及应用研究，以便使得对极压添加剂的使用更为科学合理。影响油品抗微点蚀能力的另一个重要因素，即为油品的清洁度。这是因为油液中若混有过大、过硬的磨蚀性颗粒，往往会破坏齿轮两接触齿面间或轴承中的油膜或边界膜，并由此导致各类损伤的发生，故更易发生微点蚀。因此保持油液的清洁度或限制微小颗粒的数目十分重要，目前在许多已有技术规范中对风电齿轮箱的新注油品，包括运行中的油品清洁度均有具体规定（见表1），这些均应在产品执行过程中严格控制。 表1润滑油品抗微点蚀所要求的清洁度油样来源清洁度等级（ISO4406：1999）加入齿轮箱前
10、的新油16/14/11出厂试验后齿轮箱中的油17/15/12运行中齿轮箱中的油18/16/13按照FZG/FVA试验规范，目前用于风电齿轮箱的合成油，在润滑油温度为60及90的试验条件下其抗微点蚀能力级别一般要求为高等级，或者表示为SKS10级。各品牌润滑油供应商在其产品性能表中均应提供这一参数。3 热处理及加工工艺因素的影响微点蚀对调质齿轮、渗碳淬火齿轮或氮化齿轮等都有可能发生，但低速重载齿轮传动目前基本上都采用渗碳淬火齿轮或氮化齿轮，因此对齿轮材料及热处理状态的有关研究基本上都是针对上述两类齿轮进行的。如已有研究涉及到热处理组织类别及均匀性、残余奥氏体含量、碳化物形态及分布、硬度及梯度分布
11、、表面涂层种类及组织等对微点蚀的影响等。 根据已有对齿轮微点蚀的研究及认识，气体氮化齿轮（HV850）发生微点蚀的倾向要大于渗碳淬火齿轮，而调质及感应或火焰淬火齿轮发生微点蚀的倾向则要小。与提高齿轮的弯曲及接触强度的要求一致，采用含镍及钼等元素的齿轮刚，其抗微点蚀能力也明显要强。基于微点蚀的产生机理，齿轮接触齿面的硬度、微观组织形态、滑动摩擦特性、受载特性等对微点蚀的产生都有很大影响。通过PVD技术形成齿面涂层，以提高齿面硬度，降低齿面摩擦系数的方法来提高齿面抗微点蚀能力的研究也取得了积极的进展。如当采用的涂层材料为WC/C及B4C等，厚度为1-4，硬度8003000HV，实验表明其抗微点蚀能
12、力有了明显的提高1 2，几乎未观察到微点蚀现象发生，齿形精度也未下降。随着对表面涂层技术相关的承载负荷、表面粗糙度、摩擦特性及质量控制等问题的深入研究和这一技术的应用，油品中改善齿面摩擦特性的添加剂的使用会越来越少，这对提高传动副性能及保护环境必将产生积极的作用。目前表面涂层技术在风电轴承中已开始被采用，FAG及TIMKEN公司均推出了旨在提高轴承性能及使用寿命的带涂层轴承并已开始使用，其长期使用效果尚有待跟踪及观察，但前景值得期待。采用常规喷丸强化工艺对提高轮齿的弯曲强度是十分明显的，但对齿面接触强度及抗微点蚀能力却有不利的影响，这是因为齿面磨削后的喷丸会提高齿面的粗糙度。法国开发的超声波喷
13、丸技术可有效克服这一缺点，通过进行的试验室模拟试验，表明了这种工艺对提高齿面接触强度和抗微点蚀能力的积极影响。通过进一步更系统的研究开发，有可能为我们提供一个有效的提高轮齿表面抗微点蚀能力的技术方法。一家英国公司采用的另外的一种方法则是将喷丸和下面所述的超精加工工艺结合起来，在进行了两次不同粒径及强度的喷丸后，最后再进行超精加工。这样不仅有效保留了喷丸形成的齿面残余应力，也使得齿面粗糙度大大降低。 齿轮加工工艺中对提高轮齿表面抗微点蚀能力最有效的手段已被证明是采用超精加工工艺来降低轮齿表面的粗糙度3。依据弹性流体动力润滑理论，齿面粗糙度的降低，更有利于齿面间润滑油膜的生成和保持，进而降低表面的
14、局部接触应力和磨损，相应地发生微点蚀的风险也可大大降低。与此同时，采用超精加工工艺处理过的齿轮副，其疲劳强度也将得以提高，运行温度及噪音下降，磨损也大大减少。国外进行齿面超精加工的设备及工艺技术已较为成熟，它是采用将工件置于直径为 的非磨蚀性高密度陶瓷研磨颗粒中，同时施以高频振动，在颗粒与齿轮的多次往复运动中，使得齿面微小波峰得以进一步的平滑。在上述研磨的过程中，研磨颗粒中还加有专用的液态化学助磨剂。它可在工件表面不断生成氧化层，这一氧化层不断被磨去，又不断再生成，借此可以加速齿面的磨合。由此可知，超精加工是一个工艺性较强的精磨过程，其最终效果不仅取决于各相关工艺参数的控制，也和齿面的初始粗糙
15、度有很大的关系。经过超精加工工艺处理过的齿面，其粗糙度一般要求为 采用超精加工已被国外风电齿轮箱制造行业作为低速级齿轮精加工的正常加工工艺。在Winergy、Renk、Hansen、Rexroth等公司都是采用此工艺进行相关齿轮齿面的精加工。在我国，目前这一工艺的应用还尚不十分普遍，这一现象应引起重视并尽快改变，否则必然会对我国风电齿轮箱的产品质量、寿命及运行可靠性产生不利的影响。4 齿面抗微点蚀能力的设计评定基于上述对影响齿面微点蚀各相关因素的分析 ，可以认为啮合齿面的粗糙度愈低，啮合齿面间的润滑油膜厚度愈厚，则啮合齿面上发生微点蚀的可能性就愈小。由于目前对有关齿面微点蚀产生机理，影响因素及
16、防范措施和设计评定的研究仍在进行中，国际上对齿轮抗微点蚀能力的设计计算评定还没有形成一个标准的方法。但在现阶段，采用啮合齿面间的膜厚比来进行齿轮抗微点蚀能力的评定不失为一个可行的途径并已初步形成倾向性意见，膜厚比计算公式为 式中:-啮合齿面间的最小油膜厚度，-啮合两齿面粗糙度的算术平方差，显然愈大，啮合齿面间微观波峰发生直接接触的部分也就愈小，从而发生微点蚀的概率也就愈小 ，当大于某一临界值时，即可完全避免发生微点蚀或微点蚀十分轻微，即判别条件为 ：由于影响啮合齿面间润滑油膜厚度的因素较多，如润滑油的粘度、齿轮转速、齿轮的各个参数等。而且风电齿轮箱的低速级采用的传动型式包括了NGW、NW等多种
17、类型4，同时风电齿轮还常采用了各种修形工艺，这就使得对传动副啮合齿面间的膜厚计算及影响因素的分析十分复杂，限于篇幅，有关内容宜另行研究，此处不再讨论。5 结论本文对低速重载齿轮啮合齿面间的微点蚀产生机理及其影响因素进行了分析和讨论，据此可概括出若干可采取的提高齿面抗微点蚀能力的措施如下：（1）采用抗微点蚀能力10级以上的合成油，依据具体应用环境及载荷条件可选择PAO油或PAG油。（2）应选择适宜的油品粘度及添加剂。（3）应定期检测油液的各项性能指标，油品性能变差时及时更换。（4）应保持油液的清洁和齿轮箱的清洁度。（5）采用超精加工工艺降低齿面粗糙度。（6）采用适当的表面涂层处理及喷丸技术。（7
18、）设计阶段应采用抗微点蚀判别条件来进行设计参数的抗微点蚀适宜性评定。参考文献：1 Manfred Weck，Oliver Hurasky-Schonwerth，Christoph BugielService Behavior of PVD-Coated Gearing Lubricated with Biodegradable Synthetic Ester OilsJ GEAR TECHNOLOGY，2004，(1/2)：34-402 Franz Joachim,Norbert Kurz,，Bernhard GlatthaarInfluence of Coatings and Surface
19、 Improvements on the Lifetime of GearsJGEAR TECHNOLOGY，2004，(7/8)：50-563 L. Winkelmann,，O. El-Saeed ，M. BellThe Effect of Superfinishing on Gear MicropittingJGEAR TECHNOLOGY，2009，(3/4)：60-654 赵玉良，葛延，王有飞. 风力发电增速箱的类型及新进展J中国风能，2006，（6）：65-67 Research on Micropitting of Gear Flanks to Wind Turbine ZHAO Yu-liang，XU Hong-jun，JIANG Yong-tao(China National Heavy Machinery Research Institute Co.Ltd， Xian 710032，China)本文发表于能源工程2010年第4期，有改动。-